越大并不总是越好。过程强化部署快速推进 (RAPID) 制造研究所正在通过在工厂层面和工厂内部推进模块化技术来转变过程工业。较小的模块化工厂可以建在靠近原材料、靠近最终用户和/或需要工作的区域。
由爱荷华州立大学和Stine Seeds 将废生物质转化为低成本糖。图片由爱荷华州立大学 Robert Brown 博士提供“模块化制造的概念使制造商能够扩大规模，”RAPID 首席执行官 Bill Grieco 说。 “这是一种工具，可以在一个历史上没有分布式制造的行业中实现分布式制造。这是一个很Grieco 说，五年来，RAPID 已经花费了 1.25 亿美元的联邦基金和成员配套基金来资助 38 个研发项目，其中 32 个项目仍在不同的完成阶段运行.
“从历史上看，在我们的行业中，制造商利用了规模经济——如果我们想要 10 倍的聚合物生产能力，我们会建造一个比以前的版本至少大 10 倍的非常大的工厂， ”格里科说。 “拥有更大的设施，您只有一套废物处理设备，只有一个蒸汽锅炉。”
但这些更大的制造工厂通常有隐藏成本。他说，例如，化工厂通常建在工地的现场，成本相对较高且成本超支。
未充分利用的产能（未来需要，但现在不需要）是一个重要的成本驱动因素。
“如果你有一个新的世界产品uct，你相信五年后该产品的市场将达到 1 亿磅，但在第一年和第二年，市场将只有几千万磅，你不想建立一个巨大的工厂现在生产数亿英镑，因为你损失了很多钱，”Grieco 说。
RAPID 首席执行官 Bill Grieco 在 2019 年制造日向学生发表讲话。由 RAPID 提供Grieco 说，与其建造一座工厂来满足 10 年内的预期需求，制造商可以建造第一座模块化工厂来生产 1000 万磅，然后建造第二座工厂来生产 1000 万磅，随着需求的增长增加更多。
“我们正在推动的是缩小单个工厂的规模，然后大规模生产工厂，通过制造更多的 o 来利用规模经济Grieco 说。
制造商将从一个较小的工厂或工厂内的模块开始，用于测试、调试、概念验证和演示，他说。制造商将通过建设数十个、数百个或数千个工厂或模块来实现规模经济。
“单个操作的标准化和大规模生产以及模块的标准化和大规模制造在我们行业历史上不存在， ” Grieco 说。
提高三重底线
美国制造研究所 RAPID 正在积极努力帮助制造商减少能源足迹、缩小整体足迹并推动可持续发展。
Grieco 说，RAPID 的最终目标不是只关注一个组成部分，而是提高三重底线——推动环保主义/可持续发展、照顾劳动力和提高盈利能力。
RAPID 在 AIChE（美国化学工程师协会）举行的 ChemE Cube 学生竞赛) 去年 11 月在波士顿举行的年会。在比赛中，本科大学团队设计、建造和演示一个 1 立方英尺的工厂来生产特定的化学物质。由 RAPID 提供。“我们正在采取提高产量的方法，资本减少足迹，同时提高盈利能力和推动可持续性，”他说。“我们在该领域提出和测试的是支持化学能源推动可持续性和脱碳能力的项目。没有你就不能做到这一点这些工具用于过程强化和模块化。”
模块化方法的一部分是折叠许多大型设备，每个设备执行一项专门任务，减少到更少的模块化单元，旨在执行多个tiple 功能，他说。
“您可以将更多功能装入更小规模的设备中，”Grieco 说。 “与其拥有一台对许多不同化学品进行批量操作的巨型设备，不如拥有一个模型，让较小的设备以一定程度的灵活性运行。操作这些设备的不同方式提供了稳健性、冗余性和弹性。设备和工厂可以更灵活一些。”
从批处理到连续处理
一家中型化工公司的一个项目采用批处理工艺生产三种特种化学品并将制造转变为单一的连续过程，Grieco 说。结果：更高质量的产品、更高的产量、降低 30% 的运营成本、更少的能源使用，以及之前系统的资本成本和占地面积的 10%。
“原材料流入，当原材料通过系统时，纯化后的产品从另一端出来，”他说。
有了这样的系统，如果主要生产线需要维修，制造商可以让整个备用生产线处于热备用状态，Grieco 说。
在许多情况下，生产从间歇过程转变为连续生产，Grieco 说，并指出制药和化学行业对这种转变有浓厚的兴趣。
“许多制造商都意识到从批量生产到连续生产的转变使他们能够控制质量、尺寸、与设备相关的资本基础设施，并降低成本和风险，”Grieco 说。他说：“有选择地应用、连续生产还允许将电力和更有效地使用电力的工艺整合到化学工业中。”
RAPID 帮助了位于北卡罗来纳州达勒姆的初创公司 IFS，该公司开发了一种电- 从中间加热流动流体的动力过程加热技术首席执行官 Francesco Aimone 说：锅逐渐升温以保持较低的加热影响，并将燃烧器调至最大水平以快速获得结果。 “我们正在这样做，所以你不必在两个选项之间做出选择，”他说。 “我们可以找到更多的表面积，并为您提供更温和的加热。”
这种中出加热过程使加热装置的体积缩小了 10 倍，并使它们的性能提高了 8 到 10 倍，他说。
“增加数量而不是扩大规模”
虽然 IFS 非常了解食品和饮料行业，但该公司并不了解其他行业的制造流程，例如特种化学品、石油和Aimone 说，天然气和其他新兴技术可以提供帮助的领域。
“RAPID 让我们更好地了解像我们这样的技术可以在哪些方面对我们的核心竞争力产生重大影响，”Aimone 说。
IFS 首席执行官 Francesco Aimone，在Rabo Asia 会议于 2017 年在北京举行。由 RAPID 提供作为一家早期公司，IFS 的技术非常符合构建更小、模块化系统的原则，Aimone 说，“是增加数量而不是扩大规模。” IFS 已开始部署小型设备和示范项目，并计划到 2022 年底生产生产规模的设备。
Grieco 说，模块化工厂有助于缓解供应链问题。在过去两年中——部分但不完全是因为大流行——美国经历了治疗药物供应链的中断，非织造纸制品、治疗 COVID-19 的药物和其他药物，其中许多已不再在美国生产，因为制造关键化学成分的能力并不为人所知。
例如，模块化制造可以让国内的小型化学公司迅速建立产能来制造这些重要的化学成分。
“我们将能够比以往更快地将这些特种化学原料和治疗药物运回海外， ”Grieco 说。
模块化工厂方法还支持分布式制造，更容易根据原材料、最终用户和工人所在的位置选址工厂。
“想想煤炭- 受影响的社区在阿巴拉契亚和俄亥俄河谷沿岸长期处于低迷状态，”Grieco 说。 “制造商可以采用生产设施并将它们分配到该地区的井口并创造就业机会。”形式Grieco 说，可以对支持采矿的矿工和工人进行交叉培训，以运营和维护小型模块化工厂。
模块化制造还可以帮助公司更好地解决与天气相关的问题，例如导致休斯顿关闭的冰暴Grieco 说，2021 年初。
“如果一家公司将其基础设施分布在整个北美地区，那么只会取消一个制造节点，而不是大部分产能，”他说。
例如，Grieco 说，一家化工公司可以在其主要客户之一附近选址一个小型模块化工厂，以实现准时交货。他说，在天然气工业中，模块化工厂可以将天然气直接从井口转化为可替代的液态化学品，从而减少对压缩天然气管道的需求。当井口停止生产时，该装置可以很容易地移动到生产井口。
模块化工厂还可以更容易地从中获取价值m 生物质副产品，价值相当低但密度也很低，因此不值得运输，他说。例如，这样的工厂可以建在玉米或甘蔗收割地附近，并将搁浅的低价值原材料转化为更有价值的中间液体化学品。
“未来二十年，整个工厂的形式可能看起来非常不同，”Grieco 说。 “只有当我们教育当前和下一代的员工以不同的方式思考时，这才会奏效，”Grieco 说。
